HARDWARE 1.4a: (Processore)

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1 HARDWARE 1.4a: (Processore)

2 2 23 nov 2011 Bibliografia Curtin, Foley, Sen, Morin Informatica di base, Mc Graw Hill Sciuto, Buonanno, Mari, Introduzione ai sistemi informatici, Mc Graw Hill Questi lucidi

3 Architettura di von Neuman CPU Unità di controllo Dispositivi di I/O Unità aritmetico logica (ALU) Registri Terminale Stampante CPU Memoria centrale Unità disco Bus

4 23 nov L unità centrale di elaborazione (CPU) La CPU, o unità centrale di elaborazione o Processore, è un circuito integrato (Chip), costituito da una piccola piastra di silicio Sulla superficie della CPU sono presenti milioni di piccoli interruttori elettronici miniaturizzati, di tipo acceso/spento, i transistor, e altri componenti elettronici Il primo processore a larga diffusione, l Intel 4004 (1971), conteneva circa transistor Il primo processore montato sul primo PC di larga diffusione, i8088 conteneva circa transistor Il Core 2 (2006) ne contiene oltre Un Quad-core circa 2.4 miliardi.

5 23 nov 2011 L unità centrale di elaborazione (CPU) La CPU è il cervello del calcolatore e il suo compito è quello di eseguire i programmi, residenti nella memoria, leggendo ed eseguendo le loro istruzioni. L elaborazione avviene in accordo a sequenze di istruzioni (istruzioni macchina), scritte in un linguaggio di programmazione speciale, chiamato linguaggio macchina. 5 Struttura istruzione Linguaggio assemblatore Linguaggio macchina codice operativo dest src1 src2 add R01 R02 R

6 L esecutore Un calcolatore basato sull architettura di Von Neumann esegue un programma sulla base dei seguenti principi: dati e istruzioni sono memorizzati in una memoria unica che permette sia la scrittura che la lettura; i contenuti della memoria sono indirizzati in base alla loro posizione, indipendentemente dal tipo di dato o istruzione contenuto; le istruzioni vengono eseguite in modo sequenziale.

7 Ciclo Fetch Decode Execute Fetch (Lettura) Decode Execute

8 Esecuzione di Programmi RAM CPU N M

9 Esecuzione di Programmi: fetch N RAM leggi prossima istruzione somma 2 al valore della cella M CPU M

10 Esecuzione di Programmi: decodifica RAM CPU N M leggi dati

11 Esecuzione di Programmi: esecuzione RAM CPU N esegui calcoli M =

12 Esecuzione di Programmi: scrittura RAM CPU N M scrivi risultato

13 Esecuzione di Programmi: iterazione N RAM leggi prossima istruzione CPU M

14 Struttura e componenti della CPU Unità di controllo (Control Unit). ALU (Unità Aritmetico-Logica) Clock Registri Unità di controllo Clock Memoria Centrale o Periferiche BUS Registro Registro ALU Registro

15 Data Path (o percorso dei dati) E la parte che si occupa dell effettiva elaborazione dei dati. Comprende dispositivi diversi una o più unità aritmetico-logiche, dette ALU (Arithmetic Logic Unit): legge i dati contenuti all'interno dei registri generali, esegue le operazioni e memorizza il risultato in uno dei registri generali alcune unità di memorizzazione temporanea, i registri, memoria ad alta velocità usata per risultati temporanei e informazioni di controllo.

16 Data Path Registri R00 R01 R02 R03 X + Y X Y Registri ingresso ALU X Y add A L U esito Registro uscita ALU X + Y Il valore massimo memorizzabile in un registro è determinato dalle dimensioni del registro

17 Registri di memoria della CPU I registri della CPU sono un tipo di memoria ad alta velocità (2, 4, 8 byte) che viene utilizzata per memorizzare temporaneamente istruzioni e dati più frequentemente acceduti. Ospitano le informazioni necessarie per eseguire l istruzione corrente In numero molto limitato (10, 20, 64) si dividono in registri speciali e generali

18 Unità di controllo Data path CPU Unità di controllo PSW Bus controllo Bus dati Bus indirizzi IR PC Memoria

19 I Registri speciali Il Program Counter (PC) contiene l indirizzo in memoria centrale della prossima istruzione da eseguire. All inizio dell esecuzione di un programma viene caricato con l indirizzo della prima istruzione di quel programma. Ad ogni istruzione eseguita il PC viene modificato per contenere l indirizzo della istruzione successiva.

20 I Registri speciali L Instruction Register (IR) contiene l istruzione correntemente in esecuzione la CPU legge l istruzione contenuta nell instruction register e la esegue IL Registro di stato (PSW) descrive lo stato corrente della esecuzione segnala eventuali errori (ad es.: overflow)

21 Unità di controllo Sovrintende alla corretta esecuzione dei programmi e coordina il lavoro degli altri componenti hardware e le attività dell intero computer L unità di controllo del processore esegue una istruzione svolgendo le seguenti tre operazioni di base Fetch (lettura) Decode (decodifica) Execute (esecuzione) Un programma è eseguito reiterando il ciclo fetchdecode-execute (ciclo macchina) per eseguire ordinatamente le sue istruzioni

22 Ciclo Fetch Decode - Execute 1. Prendi l istruzione corrente dalla memoria (quella individuata dal contenuto del PC) e mettila nell IR (Instruction Register), contemporaneamente incrementa il Program Counter (PC) in modo che contenga l indirizzo dell istruzione successiva (fetch) 2. Determina il tipo di istruzione da eseguire (decode) 3. Se l istruzione usa dei dati presenti in memoria, determinane la posizione; 4. Carica la parola, se necessario, in un registro della CPU; 5. Esegui l istruzione (execute) 6. Torna al punto 1 e inizia a eseguire l istruzione successiva.

23 Struttura della CPU

24 I Registri speciali Registro Indirizzi Memoria (MAR) contiene l indirizzo della cella da cui leggere o in cui scrivere un dato Registro dati Memoria (MDR) contiene il dato letto dalla memoria o da scrivere in memoria

25 Tipologie di istruzioni Architettura di riferimento: load/store le operazioni aritmetico-logiche possono essere eseguite solo su dati che siano già stati caricati nei registri; le operazioni di caricamento dei dati dalla memoria nei registri (load) e di archiviazione dei risultati dai registri nella memoria (store) debbono essere previste esplicitamente. Un processore in architettura load/store dovrà quindi essere in grado di eseguire le seguenti categorie di istruzioni: Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati) Controllo del flusso delle istruzioni Trasferimento di informazione

26 Tre tipologie di istruzioni Istruzioni aritmetico-logiche (Elaborazione dati) Somma, Sottrazione, Divisione, And, Or, Xor, Maggiore, Minore, Uguale, Minore o uguale, Controllo del flusso delle istruzioni Sequenza Selezione semplice, a due vie, a n vie, Ciclo a condizione iniziale, ciclo a condizione finale, Trasferimento di informazione Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e memoria Trasferimento dati e istruzioni tra CPU e dispositivi di ingresso/uscita (attraverso le relative interfacce)

27 Esempi di istruzioni Istruzione Significato Categoria add R01,R02,R03 R01 R02 + R03 aritmetico-logica addi R01,R02,421 R01 R aritmetico-logica lw R01,R02,421 R01 M[R ] trasferimento sw R01,R02,421 M[R ] R01 trasferimento beq R01,R02, 421 se (R01 == R02) vai a PC 421 salto (condizionato) j vai a salto (non condizionato)

28 Istruzioni aritmetico-logiche Un istruzione aritmetico-logica, ad esempio add RZ,RX,RY, viene eseguita in quattro passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato (si tratta della fase di fetch già descritta in precedenza); 2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY (in pratica l unità di controllo attiva i collegamenti tra i registri RX e RY, individuati dal contenuto dell IR, e i registri di ingresso all ALU e provvede a effettuare il trasferimento dei dati); 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo l operazione indicata dal codice compreso nell istruzione (l unità di controllo attiva il collegamento di un pezzo dell IR con l ingresso di controllo dell ALU); 4. il risultato calcolato dall ALU viene scritto nel registro RZ (anche il registro destinazione viene individuato a partire dal contenuto dell IR).

29 Istruzioni di trasferimento Un istruzione di trasferimento, ad esempio lw RY,RX,base, viene eseguita in cinque passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato; 2. viene letto il contenuto del registro RX; 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri e sulla base scritta nell IR; 4. il risultato calcolato dall ALU viene utilizzato come indirizzo per la memoria dati; 5. il dato proveniente dalla memoria viene scritto nel registro RY.

30 Istruzioni di controllo Un istruzione di trasferimento, ad esempio beq RX,RY,salto, viene eseguita in quattro passi: 1. l istruzione viene prelevata dalla memoria e scritta nell IR mentre il PC viene incrementato; 2. viene letto il contenuto dei due registri RX e RY; 3. la ALU opera sui dati letti dal banco dei registri, eseguendo l operazione indicata dal codice compreso nell istruzione (nel caso dell esempio si tratta di una sottrazione, per verificare poi se il risultato è uguale o diverso da zero); contemporaneamente il contenuto del PC viene sommato al valore del salto per calcolare l eventuale destinazione del salto; 4. l esito dell operazione viene utilizzato per decidere quale valore debba essere memorizzato nel PC.

31 Clock La CPU ha un orologio interno, detto clock, che emette con regolarità un determinato numero di impulsi ogni secondo, come una specie di metronomo che scandisce le operazioni all interno di tutti i circuiti elettronici del calcolatore e li sincronizza. La velocità del clock indica il numero di impulsi (cicli) che il clock emette in un secondo. La velocità del clock è quel numero che viene normalmente associato ad ogni processore (es.: processore da 2 Giga) La velocità del clock si misura in Hertz. 1 hertz (Hz) = 1 ciclo al secondo 1 megahertz (MHz) = 1 milione di cicli al secondo 1 gigahertz (GHz) = 1 miliardo di cicli al secondo

32 23 nov Istruzioni del Processore Inoltre, un istruzione del processore è generalmente composta da più operazioni elementari che accedono in momenti successivi alle risorse del computer Quasi mai la singola istruzione del processore è eseguita in un solo ciclo di clock. Ad esempio, per effettuare la somma di due numeri Bisogna leggere il primo addendo Bisogna leggere il secondo addendo Bisogna eseguire la somma Bisogna memorizzare la somma E potrebbe darsi che alcune di queste mini-operazioni richiedano più cicli di clock per essere completate. Ogni parte di un istruzione viene eseguita in corrispondenza ad un impulso di clock

33 33 23 nov 2011 Dimensione della parola E il numero di bit che un processore tratta simultaneamente. Corrisponde a quanti bit possono essere trasferiti simultaneamente tra processore e memoria. Corrisponde alla dimensione della singola cella di memoria RAM Corrisponde alla dimensione dei registri della CPU. Inizialmente la dimensione della parola era di 8 bit, cioè di 1 byte. Da allora si è cominciato a misurare la dimensione della memoria in byte. Attualmente la dimensione di parola varia da 32 a 64 bits, in base al tipo di processore e di architettura hardware.

34 34 23 nov 2011 Istruzioni del processore Le istruzioni del processore sono il suo VOCABOLARIO: quanto più esso è povero tante più parole saranno necessarie per descrivere un concetto, ma tanto più esse saranno corte e quindi veloci da eseguire, in quanto richiedono pochi impulsi di clock per essere completate. La potenza di elaborazione di un processore è data dal numero di istruzioni eseguite in un secondo (MIPS milioni di istruzioni al secondo, MFLOPS milioni di istruzioni in virgola mobile al secondo)

35 23 nov 2011 Coprocessori Nei moderni computer la CPU è coadiuvata da altri processori specializzati nel trattamento di particolari tipologie di dati (ad esempio immagini sul monitor o suoni). Un Coprocessore è un processore dedicato che, sotto il controllo della CPU e del Sistema Operativo svolge elaborazioni specialistiche che richiederebbero alla CPU un notevole dispendio di tempo Processore sulla scheda video Processore sulla scheda audio 35

36 36 23 nov 2011 Multiprocessori E possibile, inoltre, dotare un computer di più processori che collaborano all esecuzione di un programma. Ad esempio possono essere disposti più processori come in una catena di montaggio (pipeline) Oppure più processori possono lavorare contemporaneamente su parti diverse di uno stesso dato (nelle previsioni del tempo, ad esempio, ogni processore può dedicarsi ad una specifica zona geografica)

37 37 23 nov 2011 Microprocessori incorporati I microprocessori si trovano anche in Automobili Telefoni Termostati Schede telefoniche Carte di credito

38 38 23 nov 2011 Compatibilità Cosa accade ai programmi quando si cambia il processore del computer (perché, magari, si sostituisce il computer)? La compatibilità è garantita, di norma, verso l alto Un programma che gira su un processore di un produttore funziona sui modelli più recenti prodotti dalla stessa azienda Il viceversa non è sempre vero Non è garantita la compatibilità tra processori di aziende diverse, a meno che essa non sia esplicitamente dichiarata. Ad esempio c è un ottimo livello di compatibilità tra processori AMD e Intel

39 23 nov 2011 CISC e RISC CISC = Complex Instruction Set Chip ( ) RISC = Reduced Instruction Set Chip ( ) 39 Un processore CISC rispetto ad un processore RISC presenta molte più istruzioni che vengono eseguite tramite più operazioni elementari che richiedono più cicli di clock per essere completate E che quindi sono più lente delle corrispondenti operazioni RISC D altro canto, le istruzioni di un processore CISC che non sono presenti in un processore RISC vengono da questo simulate tramite più istruzioni ciò comporta tempi maggiori nei processori RISC, in media, ma solo per tali istruzioni da simulare, rispetto alle corrispondenti operazioni CISC

40 40 23 nov 2011 CISC e RISC I processori RISC sono mediamente più veloci dei CISC su quasi tutte le applicazioni. I processori RISC non sono adatti per elaborazioni complesse, ad esempio quelle sui dati multimediali Attualmente la differenza tra CISC e RISC si sta riducendo

41 41 23 nov 2011 Benchmark Batterie di test usate per confrontare le velocità dei computer. Non sono mai valori assoluti. Ma sono rapportati ad un insieme di programmi (che compongono tali batterie). Un computer può risultare più veloce di un altro relativamente ad un programma ma meno veloce relativamente ad un altro. Due grandi tipologie di programmi: CPU-consuming (usano molto la CPU). E tra queste: Integer-computing (calcoli su numeri interi o su pochi numeri) Floating-point computing (lavorano su numeri reali e molto grossi) I/O-consuming (usano molto le periferiche di I/O).

42 I Registri speciali Registro Indirizzi Memoria (MAR) contiene l indirizzo della cella da cui leggere o in cui scrivere un dato Registro dati Memoria (MDR) contiene il dato letto dalla memoria o da scrivere in memoria